掘進機電控系統改進設計探討

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摘要:常規掘進機需要人工通過控制機械液壓手柄完成掘進工作，效率低，自動化程度低。因此，在現有掘進機電控系統基礎上，對電控系統的總體框架以及軟硬件進行了升級改進設計。所設計的系統能夠對掘進機進行人工遠程定位和自動化控制截割，并實現掘進機的遙控操作和截割電機恒功率控制等，對提高掘進效率具有重要意義。

關鍵詞:掘進機;電控系統;改進

掘進機是煤礦井下進行掘進工作的重要設備，主要負責煤礦井下的破煤、裝載、行走等作業。掘進機根據其作業方式分為部分斷面和全斷面掘進機。其中，部分斷面掘進機在小型煤礦開采中得到了廣泛應用。常規的掘進機在進行掘進工作時，需要人工通過控制機械液壓手柄，效率低，自動化程度低。為了提高掘進機的系統效率和自動化程度，本文對掘進機電控系統進行了改進升級設計，以實現掘進機的遙控操作以及自動截割功能。

1改進設計內容和實現的功能

對常規掘進機主要進行了如下的改進設計:1)將液壓系統的比例閥更換為比例電磁閥;2)在升降和回轉油缸的內部安裝位移傳感器;3)增加了一個擴展控制箱，采集傳感器信號、接收遙控信號、驅動比例電磁閥等;4)增加一個遙控接發器裝置。通過以上改進設計，能夠實現掘進機的遙控操作，對掘進機進行人工定位和自動截割，實現截割電機恒功率控制等。

2改進設計總體框架

改進設計是在原有的電控系統的基礎上進行改造升級，因此改進設計的總體框架必須與原有基礎電控系統具有兼容性，盡量保持系統整體結構的完整性，通過增加一個擴展控制箱完成整個系統的改造升級，改造升級后的電控系統總體框架如圖1所示。從圖中可以看出，該電控系統主要由基礎電控系統和擴展控制箱兩部分組成，其中基礎電控系統的安裝位置不變，仍然在原有的電控箱內。擴展控制箱主要包括遙控接收器、雙軸傾角傳感器、信號采集與驅動輸出模塊、CAN總線隔離模塊、電源模塊等。雙軸傾角傳感器用來采集掘進機本身的機身狀態參數;信號采集與驅動輸出模塊是控制器的擴展模塊，主要通過CAN總線與控制器進行通訊連接，信號采集來源主要包括比例電磁閥組和油缸位移傳感器兩方面。

3硬件系統設計

改造升級后的電控系統的硬件系統主要由4大部分組成，包括控制信號接發裝置、數據采集和驅動模塊、比例電磁閥組和油缸位移傳感器，如圖2所示。1)比例電磁閥組。比例電磁閥在工作過程中主要通過自身的電信號，對整個系統內液壓油流動的方向和流量進行控制，由此實現對油缸機構運動速度及運動量等參數的有效控制。本次設計比例電磁閥為2組，選用PSV型的比例電液換向閥，由德國HVWE公司研發制造，具有防爆的特點，IP67的防護等級，冷態電阻為26．6Ω額定電壓為24VDC。2)油缸和位移傳感器。油缸需要選擇截割升降和回轉時的兩種類型的液壓油缸，每種型號的數量都是2個，桿徑和缸徑都相同，分別為130mm和200mm，升降油缸的行程為682mm，回轉油缸的行程為1027mm。圖2改造升級電控系統硬件組成掘進機的工作環境惡劣，要求油缸位移傳感器具有耐塵、抗震動、防潮濕的性能，本設計選用GUC1000型號的位移傳感器，該傳感器由北京金泰星測技術有限公司生產，具有防爆的特點，通過磁脈沖技術測量液壓桿的行程位置，并且安裝在液壓缸體里面，占用空間小，不容易損壞。針對升降油缸和回轉油缸選擇了兩種量程的傳感器，升降位移傳感器最大的測量量程為690mm，回轉位移傳感器最大的測量量程為1030mm。其他電氣參數:電壓為24V，精度為0．05%，響應頻率為0．2～5ms，輸出信號為4～20mA。3)控制信號接發裝置。控制信號接發裝置包括無線遙控發送器和車載無線接收器，都選用德國海德公司GL系列的礦用本安型接發器，并且通過二次程序的開發對接發器的面板和輸入信號等功能進行了改造升級。車載無線接收器安裝在擴展控制箱的內部。無線遙控發送器能夠實現對手柄和開關的狀態進行實時采集，然后通過無線網絡進行信息傳輸，車載無線接收器接收到信息后再通過CAN-Open總線傳輸給控制器。控制信號接發裝置包含有指示燈，可以實時顯示發送器和接收器的信號強弱、工作狀態等信息。4)數據采集和驅動模塊。數據采集和驅動模塊安裝在控制箱的內部，驅動模塊選用ICN－VV型號的產品，該產品為德國InterControl公司生產，通過總線通訊的方式與控制器進行通訊，可以認為是控制器的擴展I/O。ICN－VV模塊是整個擴展模塊的核心，通過該模塊可以采集升降和回轉油缸的位移傳感器信號，以及傾角傳感器信號和遙控發送器的操作信號，再通過CANOpen總線將這些信號傳輸給控制器，同時ICN－VV模塊接收來自控制器處理后的相應輸出信號，再驅動相應的比例電磁閥組，從而實現數據的采集和驅動的功能。

4軟件系統設計

4．1遙控軟件設計。遙控軟件需要進行設計，其目的是對接收到的遙控指令信號進行處理，遙控指令信號分為電氣操作信號和液壓操作信號。當接收到遙控操作信號，首先需要進行識別，然后根據信號類別進行相對應的子程序流程，圖3為遙控軟件程序流程。1)電氣子程序。掘進機操作箱上的各個按鈕在遙控發送器上都有對應的開關，因此，對遙控器上的開關進行操作就可以對各個電機進行啟停等相應操作。遙控器操作模式和操作箱面板模式同時只能有一種模式起作用，當遙控器操作模式開啟時，操作箱面板模式關閉，當遙控器操作模式關閉時，操作箱面板模式功能恢復。另外，急停按鈕在兩種模式下都是有效的。2)液壓子程序。在油泵電機打開以后，遙控裝置能夠對液壓系統進行操作。4．2恒功率截割軟件設計。在遙控裝置操作掘進機的切割和自動截割兩種工作狀態下，當截割部位的電機產生的電流大于其額定工況下電流的90%時，電控系統開啟自動調節功能，通過降低截割部位的液壓閥流量，降低截割部位的電機負載，從而能夠實現截割電機工作時保持恒功率運行。4．3定位自動截割軟件設計。掘進機位于巷道的中間，同時兩側的支撐油缸工作時，掘進機位置固定。當掘進機打開自動截割模式的時候，掘進機能夠根據預設值的斷面形狀進行自動工作，包括截割端面、掃底和刷幫等，自動截割端面時的截割路線為自下向上的S型曲線。定位自動截割程序流程如圖4所示。當操作按鈕符合條件時，進入自動截割模式，首先進行自動截割模式參數設置子程序，設置的參數包括截割半徑、截割步長、預設截割端面的橫向長度和縱向高度等。參數設置完成后，進入到自動截割模式運行子程序，掘進機自動截割，可以完成截割端面、掃底和刷幫等工作。當發生緊急情況時，無論是遙控模式還是自動截割模式，都可以操作急停按鈕，將所有電機停止工作。

5結語

在現有掘進機電控系統基礎上，對升級改進設計的電控系統的總體框架以及軟硬件進行了詳細闡述。所設計的系統能夠對掘進機進行人工遠程定位和自動化控制截割，并實現掘進機的遙控操作和截割電機恒功率控制等，對提高掘進機的綜合性能具有重要的現實意義。

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作者:趙勇偉 單位:霍州煤電集團三交河煤礦